CN107387008A - 一种特种空间钻取一体式取芯方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种特种空间钻取一体式取芯方法与装置，包括螺旋叶片、支架、滑轨、塞子、弹簧和空心部分：所述螺旋叶片用于切削岩体，实现钻进；所述支架固定于螺旋叶片上端，穿插在滑轨中，用于确定螺旋叶片的水平位置；所述滑轨沿钻杆圆截面的径向，钻杆钻进时使螺旋叶片背离截面圆心向外散开，使各螺旋叶片互不接触；所述塞子固定于支架的上端，塞子直径大于滑轨宽度，用于确定螺旋叶片的垂直位置；所述弹簧连接于钻杆轨道内壁和塞子之间，用于保持螺旋叶片原始的闭合状态；所述空心部分用于注入冷却液，带走螺旋叶片与岩体摩擦产生的热量。该取芯方法在于利用螺旋叶片旋转时的离心力，在软袋和重物形成的密闭空间中钻进，收集岩屑至软袋中。
Description
技术领域
本发明属于太空取芯技术领域，尤其涉及一种特种空间钻取一体式取芯方法与装置。
背景技术
近年来，航天事业飞速发展，人类对太空的好奇更加浓厚，对太空的探索也更加深刻。但是，人类对火星表层岩体的分析工作还处于比较浅层次的阶段。火星上特殊的工作环境给岩体分析工作造成了极大的难题。火星环境的特殊性在于：一、火星大气稀薄、寒冷，且大气成分以二氧化碳为主。二、火星是沙漠行星，地形较为复杂。火星特殊性的环境造成了取芯工作上的一些难题，归纳为四点：一是低重力，火星大气层稀薄，钻杆的钻进比起在地球环境中更不可控；二是温度低，火星表面温度大约为零下55℃，水和二氧化碳易冻结，不可利用；三是导热率低，火星上热量难以散去，这会影响钻头的钻进速度而且会改变岩体内的物质；四是地形复杂，这对取样器适应多变环境方面的能力要求较高。目前的研究中已经有不少该方面的成果及案例，但实用性不高，取样效率低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明针对前面的技术难题，提供了一种特种空间钻取一体式取芯方法与装置。
一种特种空间钻取一体式取芯装置，包括钻杆、螺旋叶片、支架、滑轨、塞子、弹簧和空心部分。所述一种特种空间钻取一体式取芯装置的钻杆内的螺旋叶片与水平面成30度角，用于切削岩体，实现钻进；所述一种特种空间钻取一体式取芯装置的支架固定于螺旋叶片上端，穿插在滑轨中，用于确定螺旋叶片的水平位置使其可沿滑轨方向滑动；所述一种特种空间钻取一体式取芯装置的滑轨沿钻杆圆截面的径向，钻杆钻进时使各螺旋叶片背离截面圆心向外散开，互不接触；所述一种特种空间钻取一体式取芯装置的钻杆内的塞子固定于支架的上端，塞子直径大于滑轨宽度，用于确定螺旋叶片的垂直位置；所述一种特种空间钻取一体式取芯装置的钻杆内的弹簧，连接于钻杆轨道内壁和塞子之间，用于保持螺旋叶片原始的闭合状态；所述钻杆内的空心部分用于注入冷却液，带走螺旋叶片与岩体摩擦产生的热量。
优选地，将钻杆装接在火星车上，由火星车选择适应的取芯地点并供给钻杆的旋转、钻进的动力和钻进过程中需要的冷却液。
优选地，螺旋叶片需要硬度高、耐热性好的材料，应采用钨钢合金。
优选地，螺旋叶片设置四片且相对钻杆中心呈四周均布，支架、滑轨和塞子也设置相应的四组且每组对应一个螺旋叶片。在未开始钻进时，四个螺旋叶片是闭合的，形成封闭的水平横截面，且这个水平横截圆面的半径应大于钻杆的横截圆面半径。
优选地，冷却液选用液氮。液氮在一个大气压强下熔沸点为-183摄氏度，适用于火星寒冷的大气环境，且有很好的冷却效果。
一种特种空间钻取一体式取芯方法，包括以下步骤：
S1：准备步骤，装接钻杆于火星车上，打开电源，加入钻进工作所需要的冷却液；
S2：钻进步骤，打开钻机使钻杆旋转，同时钻进，并在钻进过程中补充冷却液；
S3：取芯步骤，钻进达到所需的深度后，将钻杆直接拔出，取出岩屑至软袋中。
优选地，在S1步骤中，加入的冷却液不宜过多，过多液体易造成钻头堵塞，钻进速度的减缓。
优选地，在S3步骤中，钻进达到所需的深度时，钻机使钻杆保持旋转不钻进状态一段时间后再将钻杆拔出，为了螺旋叶片完全闭合。
优选地，在S3步骤中，将螺旋叶片缓慢拔出，螺旋叶片推动岩屑至设置好的软袋中，同时扭转软袋减少软袋中的空气，避免破坏岩层的层理。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明从实用性出发，取芯方式巧妙，利用钻进时螺旋叶片的离心力来控制钻杆底端空间的闭合和开放，从而达到钻取一体的目的，适用于火星上的特殊环境。
步骤简单，节约成本，加快效率。本发明特种空间钻取一体式取芯装置的钻杆在钻进后，不用拔出钻杆后再单独进行取芯步骤，减少了火星取芯的步骤，节约了取芯装置的成本，加快了取芯的效率。
环保。本发明采用液氮作为冷却液，而氮气本为火星大气层中的成分。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明特种空间钻取一体式取芯装置的整体外观结构示意图；
图2是本发明特种空间钻取一体式取芯装置的剖面结构示意图；
图3是本发明的系统示意图。
图中标示：1-螺旋叶片，2-支架，3-滑轨，4-塞子，5-弹簧，6-空心部分，7-火星车，8--软袋，9-重块。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。
一种特种空间钻取一体式取芯装置方法，包括以下步骤：
S1：准备步骤，装接钻杆于火星车上，打开电源，加入钻进工作所需要的冷却液；
S2：钻进步骤，打开钻机使钻杆旋转，同时钻进，并在钻进过程中补充冷却液；
S3：取芯步骤，钻进达到所需的深度后，将钻杆直接拔出，取出岩屑至软袋中。
优选地，在S1步骤中，加入的冷却液不宜过多，过多液体易造成钻头堵塞，钻进速度的减缓。
优选地，在S3步骤中，钻进达到所需的深度时，钻机使钻杆保持旋转不钻进状态一段时间后再将钻杆拔出，为了螺旋叶片闭合完全。
优选地，在S3步骤中，将螺旋叶片缓慢拔出，螺旋叶片推动岩屑至设置好的软袋中，同时扭转软袋减少软袋中的空气，避免破坏岩层的层理。
一种特种空间钻取一体式取芯装置，包括钻杆、螺旋叶片(1)、支架(2)、滑轨(3)、塞子(4)、弹簧(5)和空心部分(6)。所述钻杆内的螺旋叶片(1)与水平面成30度角，用于切削岩体，实现钻进；所述钻杆的支架(2)固定于螺旋叶片(1)上端，穿插在滑轨(3)中，用于确定螺旋叶片(1)的水平位置使其可沿滑轨(3)方向滑动；所述钻杆的滑轨(3)沿钻杆圆截面的径向，钻杆钻进时使螺旋叶片(1)背离截面圆心向外散开，使各螺旋叶片(1)互不接触；所述钻杆内的塞子(4)固定于支架(2)的上端，塞子(4)直径大于滑轨(3)宽度，用于确定螺旋叶片(1)的垂直位置；所述钻杆内的弹簧(5)，连接于钻杆轨道内壁和塞子(4)之间，用于保持螺旋叶片(1)原始的闭合状态；所述钻杆内的空心部分(6)用于注入冷却液，带走螺旋叶片(1)与岩体摩擦产生的热量。
在具体实施过程中，所述火星车(7)用于携带钻杆和确定钻进位置；所述软袋(8)用于收集取出的岩屑；所述的重块(9)用于密封，减小软袋(8)与钻井间的缝隙。所述钻杆钻进时，闭合的螺旋叶片(1)由于离心力的作用会背离横截面中心向外展开。钻进时螺旋叶片(1)张开，此时螺旋叶片(1)旋转后所形成的圆截面的半径大于钻杆的半径，钻进过程得到的岩屑被螺旋叶片(1)切削至钻杆的外沿。所述钻杆钻进结束后，钻机使钻杆保持旋转不钻进状态一段时间，为了扫除阻止螺旋叶片(1)闭合的岩屑使钻杆停止旋转的时候可以恢复初始状态完全闭合。由于闭合的螺旋叶片(1)形成封闭的水平横截面的半径大于钻杆的横截圆面半径，在拔出钻杆时可以取出在钻杆外沿的岩屑至软袋(8)中。优选地，将特种空间钻取一体式取芯装置装接在火星车(7)上，由火星车(7)选择适应的取芯地点并供给钻杆的旋转、钻进的动力和钻进过程中需要的冷却液。优选地，螺旋叶片(1)需要硬度高、耐热性好的材料，应采用钨钢合金。优选地，螺旋叶片(1)设置四片且相对钻杆中心呈四周均布，支架(2)、滑轨(3)和塞子(4)也设置相应的四组且每组对应一个螺旋叶片(1)。在未开始钻进时，四个螺旋叶片(1)是闭合的，形成封闭的水平横截面，且这个水平横截圆面的半径应大于钻杆的横截圆面半径。优选地，冷却液选用液氮。液氮在一个大气压强下熔沸点为-183摄氏度，适用于火星寒冷的大气环境，且有很好的冷却效果。
Claims (7)
1.一种特种空间钻取一体式取芯方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：准备步骤，装接钻杆于火星车上，打开电源，加入钻进工作所需要的冷却液；
S2：钻进步骤，打开钻机使钻杆旋转，同时钻进，并在钻进过程中补充冷却液；
S3：取芯步骤，钻进达到所需的深度后，将钻杆直接拔出，取出岩屑至软袋中。
2.根据权利要求1所述的一种特种空间钻取一体式取芯方法，其特征在于：钻进达到所需的深度时，钻机使钻杆保持旋转不钻进状态一段时间后再将钻杆拔出，为了螺旋叶片完全闭合。
3.根据权利要求1所述的一种特种空间钻取一体式取芯方法，其特征在于：将螺旋叶片缓慢拔出，螺旋叶片推动岩屑至设置好的软袋中，同时扭转软袋减少软袋中的空气，避免破坏岩层的层理。
4.一种特种空间钻取一体式取芯装置，包括钻杆、螺旋叶片、支架、滑轨、塞子、弹簧和空心部分，其特征在于：所述钻杆内的螺旋叶片与水平面成30度角，用于切削岩体，实现钻进；所述钻杆的支架固定于螺旋叶片上端，穿插在滑轨中，用于确定螺旋叶片的水平位置使其可沿滑轨方向滑动；所述钻杆的滑轨沿钻杆圆截面的径向，钻杆钻进时使螺旋叶片背离截面圆心向外散开，使各螺旋叶片互不接触；所述钻杆内的塞子固定于支架的上端，塞子直径大于滑轨宽度，用于确定螺旋叶片的垂直位置；所述钻杆内的弹簧，连接于钻杆轨道内壁和塞子之间，用于保持螺旋叶片原始的闭合状态；所述钻杆内的空心部分用于注入冷却液，带走螺旋叶片与岩体摩擦产生的热量。
5.根据权利要求4所述的一种特种空间钻取一体式取芯装置，其特征在于：螺旋叶片设置四片且相对钻杆中心呈四周均布。
6.根据权利要求4所述的一种特种空间钻取一体式取芯装置，其特征在于：支架、滑轨和塞子也设置相应的四组且每组对应一个螺旋叶片。
7.根据权利要求4所述的一种特种空间钻取一体式取芯装置，其特征在于：在未开始钻进时，四个螺旋叶片是闭合的，形成封闭的水平横截面，且这个水平横截圆面的半径应大于钻杆的横截圆面半径。
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